李天碩，李 嚴(yán)，劉 瑩

（北京信息科技大學(xué)理學(xué)院，北京 100192）

1 引 言

低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO regulator）功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，常被應(yīng)用于集成電路系統(tǒng)中。以往的LDO 通常含有片外電容，利用片外電容改變極點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，以及對(duì)電容充放電實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，因此含片外電容的LDO 具有良好的頻率穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)特性。隨著技術(shù)不斷革新，設(shè)計(jì)者對(duì)電路集成度的要求不斷提高，而片外電容通常為μF數(shù)量級(jí)，尺寸較大，會(huì)導(dǎo)致版圖面積的嚴(yán)重浪費(fèi)，影響系統(tǒng)的集成度。因此無片外電容的LDO 成為當(dāng)前研究的主流[1]。由于缺少片外大電容的加持，無片外電容LDO 的頻率穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)速度較差，需要通過其他方法進(jìn)行補(bǔ)償[2]。在提高穩(wěn)定性方面，設(shè)計(jì)者經(jīng)常會(huì)在誤差放大器輸出端和功率管柵端之間加入緩沖器。緩沖器能提供低輸出阻抗[3-4]，因此可以將次極點(diǎn)推向高頻[5]，同時(shí)單位增益帶寬內(nèi)只有一個(gè)低頻極點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定[6]。

2 電路結(jié)構(gòu)分析

2.1 無緩沖器的LDO

無緩沖器的LDO 的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通常，在LDO 輸出端存在一個(gè)低頻極點(diǎn)（pmain），此為LDO 系統(tǒng)的主極點(diǎn)。為了保證LDO 穩(wěn)壓器具有較低的負(fù)載/線性調(diào)整率，需要系統(tǒng)具有較高的環(huán)路增益，因此誤差放大器的增益需要盡可能設(shè)計(jì)得大一些，這就導(dǎo)致誤差放大器輸出端的等效阻抗r0很大。另外為了獲得較好的驅(qū)動(dòng)能力和帶負(fù)載能力，功率管尺寸也要做得很大，這就使其柵極形成較大的寄生電容c0。因此誤差放大器輸出端與功率管柵極相連的這個(gè)節(jié)點(diǎn)存在一個(gè)低頻極點(diǎn)p0，其頻率為：

圖1 不含緩沖器的LDO 結(jié)構(gòu)

無緩沖器的LDO 系統(tǒng)的極點(diǎn)分布如圖2 所示。在不使用任何補(bǔ)償手段的條件下，系統(tǒng)在單位增益帶寬（UGB）內(nèi)存在兩個(gè)極點(diǎn)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此在一部分無片外電容LDO 的設(shè)計(jì)中采用緩沖器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頻率補(bǔ)償。

圖2 系統(tǒng)極點(diǎn)分布示意圖

2.2 帶有普通源極跟隨器的LDO

含緩沖器的無片外電容LDO 的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 含緩沖器的無片外電容LDO 結(jié)構(gòu)

通過在誤差放大器輸出和功率管柵極之間添加緩沖器，使得該節(jié)點(diǎn)原本的低頻節(jié)點(diǎn)被分成了兩個(gè)極點(diǎn)p1和p2，其頻率分別為：其中，r1、c1為誤差放大器輸出與緩沖器輸入之間的等效阻抗和等效電容；r2、c2為緩沖器輸出與功率管柵極之間的等效阻抗和等效電容。

普通源極跟隨器僅由兩個(gè)MOS 管構(gòu)成，由于其結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)常被作為緩沖器使用。以PMOS 源極跟隨器為例，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 PMOS 普通源極跟隨器結(jié)構(gòu)

通過小信號(hào)分析可知，普通源極跟隨器的輸出阻抗為輸入管M2的跨導(dǎo)的倒數(shù)，即1/gm2，其為低輸出阻抗。輸入管M2的尺寸較小，因此柵極寄生電容較小。利用普通源極跟隨器的隔離特性所產(chǎn)生的極點(diǎn)p1和p2為高頻極點(diǎn)，則此時(shí)單位增益帶寬內(nèi)僅有一個(gè)低頻極點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到補(bǔ)償。另外，由于普通源極跟隨器的增益接近單位增益[7]，因此額外添加緩沖器級(jí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成額外影響。

然而普通源極跟隨器的輸出阻抗不足夠低，當(dāng)其輸出端所接的功率管尺寸較大時(shí)，功率管柵極的寄生電容較大，此時(shí)功率管柵極節(jié)點(diǎn)的極點(diǎn)頻率為gm2/Cg,pass，其中Cg,pass為功率管柵極的等效電容。該極點(diǎn)頻率較低，此時(shí)的緩沖器不能將該極點(diǎn)推向高頻，因此無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外大尺寸功率管產(chǎn)生的大寄生電容也會(huì)降低誤差放大器的輸出擺率，影響系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度[8]，而普通源極跟隨器對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的提升效果并不明顯，于是超級(jí)源極跟隨器（Super Source-Follower, SSF）應(yīng)運(yùn)而生。

2.3 帶有超級(jí)源極跟隨器的LDO

超級(jí)源極跟隨器的基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示。該緩沖器結(jié)構(gòu)是在普通源極跟隨器的基礎(chǔ)上添加M3、M4管，構(gòu)成帶反饋增強(qiáng)的源極跟隨器[9]。超級(jí)源極跟隨器的小信號(hào)模型如圖6 所示。

圖5 超級(jí)源極跟隨器的基本結(jié)構(gòu)

圖6 超級(jí)源極跟隨器的小信號(hào)模型

其中，由于PMOS 管M1和NMOS 管M3分別受偏置電壓VBP和VBN控制，因此在小信號(hào)等效電路中可視為電流源。測試電壓源VX用于計(jì)算超級(jí)源隨器的輸出阻抗，其總電流為IX。通過基爾霍夫電流定律可得超級(jí)源隨器的輸出阻抗為：

可見，超級(jí)源隨器的輸出阻抗是普通源跟隨器的1/(gm4ro2)倍，且增益大小與普通源極跟隨器都接近單位增益[10]，因此將超級(jí)源極跟隨器作為緩沖器可以進(jìn)一步提高功率管柵極極點(diǎn)的頻率，以確保系統(tǒng)的單位增益帶寬內(nèi)僅有一個(gè)極點(diǎn)，使得系統(tǒng)獲得更好的穩(wěn)定性。

3 仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)基于SMIC 0.18μm CMOS 工藝，通過仿真觀察無緩沖器、普通源極跟隨器以及超級(jí)源極跟隨器對(duì)無片外電容LDO 的穩(wěn)定性的影響。其環(huán)路穩(wěn)定性仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 緩沖器對(duì)LDO 環(huán)路穩(wěn)定性的影響仿真

可見在不使用密勒補(bǔ)償電容等其他頻率補(bǔ)償手段時(shí)，無緩沖器的LDO 單位增益帶寬僅有146 kHz，且單位增益帶寬內(nèi)有兩個(gè)低頻極點(diǎn)，相位裕度不足，系統(tǒng)無法穩(wěn)定。而添加了普通源極跟隨器的LDO 的單位增益帶寬達(dá)到了3.8MHz，相較無緩沖器LDO提高了26 倍，且單位增益帶寬內(nèi)僅有一個(gè)低頻極點(diǎn)，相位裕度接近60°，系統(tǒng)滿足頻率穩(wěn)定條件。

當(dāng)使用超級(jí)源極跟隨器作緩沖器時(shí)，LDO 的單位增益帶寬相較于使用普通源極跟隨器的LDO 進(jìn)一步提升了10%，達(dá)到了4.2 MHz，且單位增益帶寬內(nèi)也僅有一個(gè)低頻極點(diǎn)，相位裕度提高至77°，比普通源極跟隨器的頻率穩(wěn)定效果更好。

4 結(jié) 束 語

對(duì)于無緩沖器、普通源極跟隨器、超級(jí)源極跟隨器LDO，基于對(duì)工作原理的分析，進(jìn)行了電路仿真。從仿真結(jié)果可知添加緩沖器確實(shí)能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，而使用超級(jí)源極跟隨器可使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。由于增加緩沖器結(jié)構(gòu)可增加額外的電流通路用于功率管柵電容充電，從而增加功率管的驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而增強(qiáng)電路的瞬態(tài)特性。添加緩沖器的LDO 系統(tǒng)的帶寬更大，LDO 在負(fù)載突變時(shí)的響應(yīng)更快，系統(tǒng)的瞬態(tài)特性更好。由于超級(jí)源極跟隨器的電流通路更多，所以其環(huán)路帶寬更大，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性更好。